Sistema de encendido

Sistema de encendido (viene de sistema eléctrico)
Cuando se habla de sistema de encendido
generalmente nos referimos al sistema necesario e
independiente capaz de producir el encendido de la
mezcla de combustible y aire dentro del cilindro en los
motores de gasolina o LPG, conocidos también como
motores de encendido por chispa, ya que en el motor
Diesel la propia naturaleza de la formación de la
mezcla produce su auto-encendido.
En los motores de gasolina resulta necesario producir
una chispa entre dos electrodos separados en el interior
del cilindro en el momento justo y con la potencia
necesaria para iniciar la combustión.
Generación de la chispa
En conocido el hecho de que la electricidad puede
saltar el espacio entre dos electrodos aislados si el
voltaje sube lo suficiente produciéndose lo que se
conoce como arco eléctrico. Este fenómeno del salto
de la electricidad entre dos electrodos depende de la
naturaleza y temperatura de los electrodos y de la
presión reinante en la zona del arco. Así tenemos que
una chispa puede saltar con mucho menos voltaje en el
vacío que cuando hay presión y que a su vez, el voltaje
requerido será mayor a medida que aumente la presión
reinante. De esto surge la primera condición que debe
cumplir el sistema de encendido:

Condición 1: El sistema de encendido debe elevar
el voltaje del sistema eléctrico del automóvil hasta
valores capaces de hacer saltar la electricidad
entre dos electrodos separados colocados dentro
del cilindro a la presión alta de la compresión.
Momento del encendido
Durante la carrera de admisión la mezcla que ha
entrado al cilindro, bien desde el carburador, o bien
mediante la inyección de gasolina en el conducto de
admisión se calienta, el combustible se evapora y se
mezcla íntimamente con el aire. Esta mezcla está
preparada para el encendido, en ese momento una
chispa producida dentro de la masa de la mezcla
comienza la combustión. Esta combustión produce un
notable incremento de la presión dentro del cilindro
que empuja el pistón con fuerza para producir trabajo
útil.
Para que el rendimiento del motor sea bueno, este
incremento de presión debe comenzar a producirse en
un punto muy próximo después del punto muerto
superior del pistón y continuar durante una parte de la
carrera de fuerza.
Cuando se produce la chispa se inicia el encendido
primero alrededor de la zona de la chispa, esta luego
avanza hacia el resto de la cámara como un frente de
llama, hasta alcanzar toda la masa de la mezcla. Este
proceso aunque rápido no es instantáneo, demora
cierto tiempo, por lo que nuestro sistema debe producir
la chispa un tiempo antes de que sea necesario el
incremento brusco de la presión, es decir antes del
punto muerto superior, a fin de dar tiempo a que la
llama avance lo suficiente en la cámara de combustión,
y lograr las presiones en el momento adecuado,
recuerde que el pistón está en constante movimiento.
A este tiempo de adelanto de la chispa con respecto al
punto muerto superior se le llama avance al encendido.
Si consideramos ahora la velocidad de avance de la
llama como constante, resulta evidente que con el
aumento de la velocidad de rotación del motor, el
pistón se moverá mas rápido, por lo que si queremos
que nuestro incremento de presión se haga siempre en
la posición adecuada del pistón en la carrera de fuerza,
tendremos necesariamente, que adelantar el inicio del
salto de la chispa a medida que aumenta la velocidad
de rotación del motor. De este asunto surge la segunda
condición que debe cumplir el sistema de encendido:
Condición2: El sistema de encendido debe ir
adelantando el momento del salto de la chispa con
respecto a la posición del pistón gradualmente a
medida que aumenta la velocidad de rotación del
motor.

La consideración hecha de que la velocidad de avance
de la llama es constante no es estrictamente cierta,
además en dependencia del nivel de llenado del
cilindro con mezcla durante la carrera de admisión y
de la riqueza de esta, la presión dentro del cilindro se
incrementará a mayor o menor velocidad a medida que
se quema, por lo que durante el avance de la llama en
un cilindro lleno y rico la presión crecerá rápidamente
y puede que la mezcla de las partes mas lejanas a la
bujía no resistan el crecimiento de la presión y detonen
antes de que llegue a ellas el frente de llama, con la
consecuente pérdida de rendimiento y perjuicio al
motor. De aquí surge la tercera condición que debe
cumplir el sistema de encendido:
Condición 3: El sistema de encendido debe ir
atrasando el momento del salto de la chispa a
medida que el cilindro se llena mejor en la carrera
de admisión.

Distribución del encendido
Cuando el motor tiene múltiples cilindros de trabajo
resultará necesario producir la chispa cumpliendo con
los requisitos tratados hasta aquí, para cada uno de los
cilindros por cada vuelta del cigüeñal en el motor de
dos tiempos, y por cada dos vueltas en el de cuatro
tiempos. De aquí la cuarta condición:
Condición 4: El sistema de encendido debe
producir en el momento exacto una chispa en cada
uno de los cilindros del motor.

Veamos ahora como se cumplen estas exigencias para
el sistema de encendido.
El diagrama básico
.
Figura 1
En la figura de la derecha se muestra un diagrama de
bloques de los componentes del sistema de
encendido.
Resulta imprescindible una fuente de suministro de
energía eléctrica para abastecer al sistema, este puede
ser una batería de acumuladores o un generador.
Luego será necesario un elemento que sea capaz de
subir el bajo voltaje de la batería, a un valor elevado
para el salto de la chispa (varios miles de voltios).
Este generador de alto voltaje tendrá en cuenta las
señales recibidas de los sensores de llenado del
cilindro y de la velocidad de rotación del motor para
determinar el momento exacto de la elevación de
voltaje. Para la elevación del voltaje se usa un
transformador elevador de altísima relación de
elevación que se le llama bobina de encendido en
trabajo conjunto con un generador de pulsos que lo
alimenta.
Será necesario también un dispositivo que distribuya
el alto voltaje a los diferentes cables de cada uno de
los productores de la chispa dentro de los cilindros
(bujías) en concordancia con las posiciones
respectivas de sus pistones para el caso del motor
policilíndrico
Descripción de los componentes
Dada la diversidad y de formas en que pueden
cumplimentarse en la actualidad las exigencias del
sistema de encendido y a su larga historia de
adaptación a las tecnologías existentes se hace difícil
abarcar todas las posibilidades, no obstante, haremos
un recorrido por los mas representativos.
La aparición en la década de los 60s del siglo pasado
de los dispositivos semiconductores y en especial los
transistores, y luego los circuitos integrados, sentó
pauta en la composición y estructura de los sistemas de
encendido, de manera que para hablar de ellos habrá
un antes, y un después, que son decisivos a la hora de
describir un sistema de estos. Utilizaremos para la
descripción del sistema uno de tipo clásico, de los
utilizados antes de que los dispositivos electrónicos
formaran parte del sistema.
Fuente de alimentación
La fuente de alimentación del sistema de encendido
depende en muchos casos de la futura utilización a que
se destine el motor, así tenemos que normalmente para
el motor del automóvil que incluye, porque es
requerido, una batería de acumuladores, se utiliza esta
fuente para la alimentación del sistema, pero para los
motores estacionarios, especialmente los pequeños,
donde la batería no es necesaria para otro fin, se acude
a los generadores de pulsos eléctricos conocidos como
magnetos. Estos magnetos son pequeños generadores
del tipo de rotor a imanes permanentes de corriente
alterna movidos por el propio motor y sincronizados
con él que producen electricidad para alimentar el
sistema de encendido durante el tiempo necesario para
generar la chispa.
En ocasiones y para la mayoría de los motores mono
cilíndricos pequeños de arranque manual, la
electricidad la induce un imán permanente empotrado
en el volante en el lugar apropiado al pasar frente a
una bobina fija en el cuerpo del motor.
Generación del alto voltaje
El voltaje de alimentación del sistema de encendido,
por ejemplo, alimentado con una batería suele ser de 6,
12, o 24 volts, mucho mas bajo de los 18,000 a 25,000
voltios necesarios para generar la chispa entre los
electrodos de la bujía, separados hasta 2mm, y bajo la
presión de la compresión. Para lograr este incremento
se acude a un transformador elevador con muy alta
relación entre el número de vueltas del primario y del
secundario, conocido como bobina de encendido.
Usted se preguntará ¿Cómo un transformador, si es
corriente directa? pues sí, veamos como:
En la figura de la derecha se muestra un esquema del
modo de convertir el voltaje de la batería al necesario
para la chispa en el motor mono cilíndrico.
Note como la corriente de la batería está conectada al
primario del transformador a través de un interruptor y
que la salida del secundario se conecta al electrodo
central de la bujía. Todos los circuitos se cierran a
tierra.
El interruptor está representado como un contacto, que
era lo usual antes de la utilización de los dispositivos
semiconductores. Hoy en día ese contacto es del tipo
electrónico de diversos tipos.
Mientras el contacto está cerrado, circula una corriente
eléctrica por el primario del transformador, en el
momento de abrirse el contacto, esta corriente se
interrumpe por lo que se produce un cambio muy
rápido del valor del campo magnético generado en el
núcleo del transformador, y por lo tanto la generación
de un voltaje por breve tiempo en el secundario. Como
la relación entre el número de vueltas del primario y
del secundario es muy alta y además el cambio del
campo magnético ha sido violento, el voltaje del
secundario será extremadamente mas alto, capaz de
hacer saltar la chispa en la bujía.
Figura 2
Sincronizando el momento de apertura y cierre del
contacto con el movimiento del motor y la posición del
pistón, se puede generar la chispa en el momento
adecuado al trabajo del motor en cada carrera de
fuerza.
Si en lugar de una batería se utiliza un magneto, el
esquema es esencialmente el mismo, con la diferencia
de que el magneto estará generando la corriente del
primario en el momento de apertura del contacto,
aunque en el resto del ciclo no genere nada. Utilizando
el sincronismo adecuado, magneto-contacto-posición
del pistón el encendido estará garantizado.
.
Figura 4
Figura 3
Distribución
Cuando el motor tiene mas de un cilindro se necesita
un chispa para cada uno, puede optarse por elaborar un
sistema completo independiente por cilindro y de
hecho se hace, pero lo mas común es que solo haya un
sistema generador del alto voltaje que produzca la
elevación tantas veces como haga falta (una vez por
cilindro) y otro aparato que distribuya la electricidad a
la bujía del cilindro correspondiente. Este dispositivo
se llama distribuidor.
Adelanto al encendido con la velocidad del motor
Ya sabemos como se genera el alto voltaje y además
como se distribuye a las diferentes bujías del motor,
ahora veremos como se puede adelantar el encendido
con el aumento de la velocidad de rotación del motor.
Consideremos el esquema de la figura 3, en él una leva
determina el momento de la apertura del contacto y
con esto el momento en que se produce la chispa en la
bujía. Hemos visto que esta leva está montada en un
eje que a su vez se mueve desde el motor a través de
un engranaje para garantizar el debido sincronismo. Si
montamos la leva en su eje de manera que pueda girar
sobre él y determinamos su posición exacta con
respecto al eje a través de un mecanismo centrífugo
podremos modificar la posición de la leva con respecto
al eje en dependencia de la magnitud de la velocidad
de su giro. De esta forma podremos ir adelantando el
encendido cuando la velocidad aumenta y
disminuyéndolo cuando esta velocidad baja. Como se
altera la posición, la punta de la leva alcanzará a abrir
el contacto con mas o menos atraso.
Este simple procedimiento es el que se usa con mucha
frecuencia en los sistemas de encendido de los motores
de automóvil. Unos contrapesos adelantan la posición
de la leva con respecto a su eje debido a la fuerza
centrífuga cuando la velocidad sube, y los muelles de
recuperación del mecanismo la hacen retornar cuando
baja.
Atraso al encendido cuando se llena mejor el
cilindro.
Cuando se aprieta el acelerador se abre la mariposa del
carburador o del sistema de inyección de gasolina y se
llena mejor el cilindro del motor, esta apertura hace
que la magnitud del vacío dentro del conducto de
admisión entre el cilindro y la mariposa se reduzca, es
decir la presión absoluta en este conducto aumenta al
haber mejor acceso a la presión atmosférica exterior.
De esta forma, la magnitud de la presión absoluta
dentro del conducto de admisión sirve para conocer de
manera indirecta como se ha llenado el cilindro del
motor, el valor de esta presión absoluta es la que se
utiliza para adelantar o atrasar el momento del
encendido. Para ello la base donde está montado el
contacto descrito en la figura 3 se construye de manera
tal que pueda girar con respecto al eje de la leva.
Observe el animado de la figura 4. Un diafragma
flexible al que se le aplica la presión del conducto de
admisión vence la fuerza de un resorte (no
representado), haciendo girar la base del contacto en
mayor o menor proporción de acuerdo a la presión y
por lo tanto mueve el contacto con respecto a la leva
con lo que la apertura de este se logra mas temprano o
mas tarde de acuerdo al llenado del cilindro. Resulta
ser el mismo efecto del mecanismo centrífugo del
punto anterior, pero en este caso teniendo en cuenta el
valor absoluto de la presión en el conducto de
admisión
Figura 4
Pongamos todo junto
Tratemos ahora de poner todo junto como un conjunto,
para ello utilizaremos el esquema de la figura 5
correspondiente al sistema de encendido típico por
contacto, tal y como se usaba antes de la introducción
de los dispositivos semiconductores.
Figura 5
Un distribuidor real
luce así como se
muestra en la figura
6, en el costado
izquierdo está el
diafragma de avance
al que se conecta una
manguera procedente
del carburador. La
tapa de color negro
donde se conectan
los cables de alta
tensión está
construida de un
material plástico
resistente al calor y
aislante de la
electricidad que se
acopla al cuerpo con
la ayuda de unas
presillas metálicas
fácilmente
desmontables.
Observe el tornillo
lateral, ahí se conecta
el cable procedente
de la bobina de
encendido, el cable
exterior que se
muestra, es el del
condensador, que en
este caso está en el
exterior detrás del
diafragma.
La pieza dorada mas
inferior es el
acoplamiento al
engranaje del motor.
Figura 6
Entendido como funciona un sistema de encendido
clásico (sin electrónica) veamos ahora el encendido
electrónico.